KR101844969B1 - Ordered porous titanium nitride, method for preparing the same, and lithium-air battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 기공들이 형성된 다공성 티타늄 질화물에 관한 것이다. 이에 의하여, 본 발명의 다공성 티타늄 질화물은 리튬-공기전지의 공기극으로 사용될 수 있으며, 궁극적으로 탄소를 사용하지 않음으로써 용량과 사이클 특성, 안정성 등이 개선된 우수한 성능의 리튬-공기전지에 활용될 수 있다.The present invention relates to a porous titanium nitride in which a plurality of pores are formed. Accordingly, the porous titanium nitride of the present invention can be used as an air electrode of a lithium-air battery and ultimately can be utilized in a lithium-air battery of excellent performance having improved capacity, cycle characteristics and stability by using no carbon have.

Description

구조규칙성 다공성 티타늄 질화물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬-공기전지{ORDERED POROUS TITANIUM NITRIDE, METHOD FOR PREPARING THE SAME, AND LITHIUM-AIR BATTERY COMPRISING THE SAME}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to porous titanium nitride, a method for producing the same, and a lithium-air battery including the porous titanium nitride,

본 발명은 구조규칙성 다공성 티타늄 질화물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬-공기전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기극으로 사용될 수 있는 다공성 티타늄 질화물과 이의 제조방법, 및 이를 공기극으로 포함하는 리튬-공기전지에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a porous titanium nitride which can be used as an air electrode, a method for producing the porous titanium nitride, and a method for producing the porous titanium nitride having a lithium- Air battery.

최근, 화석연료의 소비에 따른 이산화탄소 배출량의 증가 및 원유가격의 급격한 변동 등을 배경으로 자동차의 에너지원은 가솔린 및 경유에서 전기에너지로 전환하는 기술개발이 주목을 받고 있다. 전기 자동차의 실용화는 진행되고 있으며, 장거리 주행을 위해서는 축전지인 리튬 이온 전지의 대용량화 및 고에너지 밀도화가 요구되고 있다. 그러나 현재 리튬 이온 전지는 전지 용량에 제약이 있어 장거리 주행이 곤란한 단점이 있다. 따라서 이론상 리튬 이온 전지보다 대용량이며 고에너지 밀도를 가진 리튬 공기 전지가 주목을 받고 있다.In recent years, the development of technologies for converting automobile energy sources from gasoline and light oil to electrical energy has been attracting attention, in light of an increase in carbon dioxide emissions due to the consumption of fossil fuels and a rapid change in crude oil prices. Electric vehicles have been put into practical use. For long-distance driving, it is required to increase the capacity and energy density of lithium-ion batteries, which are storage batteries. However, current lithium ion batteries have a disadvantage in that it is difficult to travel long distances due to the limited battery capacity. Therefore, lithium air cells, which are theoretically larger in capacity and higher in energy density than lithium ion batteries, are attracting attention.

리튬 공기전지 (lithium-oxygen battery)는 공기 중의 산소와 리튬의 반응을 이용하여 에너지를 저장/방출하는 저장 시스템이다. 하지만 상용화를 위해서는 낮은 충방전 효율, 짧은 수명 특성, 불안정성 등의 문제가 남아있다. 일반적으로, 고용량의 전지를 위해서는 리튬과 산소의 반응을 극대화하기 위한 고 표면적의 탄소계 전극을 양극 지지체로 사용하고 있다. 탄소계 전극은 높은 전기전도성, 우수한 산소환원반응 활성을 가지지만 리튬-공기전지의 충전 중 3.5V 이상의 전압 영역에서 분해되어 리튬-산화물 등과 반응하여 탄산리튬(Li2CO3)과 카르복시산염 (carboxylates) 등을 생성한다. 이는 전지의 수명 특성에 치명적인 영향을 미친다. 따라서 높은 전기전도도, 넓은 비표면적, 우수한 화학적/물리적 안정성을 나타내는 비탄소계 전극 소재의 개발이 필요한 실정이다.A lithium-oxygen battery is a storage system that stores and releases energy using the reaction of oxygen and lithium in the air. However, there are problems such as low charge / discharge efficiency, short lifetime characteristics, and instability for commercialization. Generally, a high-surface-area carbon-based electrode is used as a cathode support for maximizing the reaction between lithium and oxygen for a high-capacity battery. The carbon-based electrode has high electrical conductivity and excellent oxygen reduction activity, but decomposes in the voltage range of 3.5 V or more during charging of the lithium-air battery and reacts with lithium-oxide and the like to form lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and carboxylates And so on. This has a serious effect on the life characteristics of the battery. Therefore, it is necessary to develop a non-carbon-based electrode material exhibiting high electrical conductivity, wide specific surface area and excellent chemical / physical stability.

이러한 부분들을 고려할 때, 높은 전도성을 가지고 물리적 안정성이 뛰어난 비탄소계 전극소재로서 TiN이 고려된다. 하지만, TiN으로 넓은 비표면적을 가지면서도 다공성 구조를 가진 물질로 디자인하기는 많은 어려움이 존재한다. 예를들어, 고표면적의 메조다공성 구조의 TiN을 만들기 위해 메조포러스 실리카를 주형으로 사용하는 방법이 시도되었다. TiN을 합성하는 sol-gel 반응이 어렵기 때문에 메조다공성 구조의 실리카 내부에 티타늄 전구체를 채워넣은 후 열처리를 통해 TiO2/실리카 복합체를 만든 후, 암모니아 가스 분위기 조건 하에서 고온 열처리를 통해 TiN으로 전환시키는 방법이 시도되었다. 하지만 TiO2 (anatase phase: 3.78g cm- 3)과 TiN (cubic phase: 5.22g cm-3) 사이의 큰 밀도 차이로 인해 메조다공성 실리카 내부에 연결된 구조의 TiN이 형성되지 않고 나노 입자의 형태로 존재하며 실리카 제거 이후에 나노 구조를 유지하지 못하여 순수한 TiN의 메조다공성 구조를 만들 수 없었다.Considering these points, TiN is considered as a non-carbon based electrode material having high conductivity and excellent physical stability. However, there are many difficulties in designing a material having a porous structure while having a wide specific surface area with TiN. For example, attempts have been made to use mesoporous silica as a template to make TiN with a high surface area mesoporous structure. Since the sol-gel reaction to synthesize TiN is difficult, TiO 2 / silica composite is prepared by filling the titanium precursor inside the mesoporous silica with heat treatment and then converted to TiN by high temperature heat treatment under ammonia gas atmosphere A method has been tried. However, TiO 2 (anatase phase: 3.78g cm - 3) and TiN: Due to the large density difference between the (cubic phase 5.22g cm -3) is not formed in the TiN structure connected to the internal mesoporous silica in the form of nanoparticles And the mesoporous structure of pure TiN could not be made because the nanostructure could not be maintained after silica removal.

또한 메조다공성 구조의 TiN을 합성하는 다른 방법으로는 메조다공성 구조의 탄소 질화물 (C3N4)를 이용하는 것이다. 탄소 질화물에 티타늄 전구체를 채워넣고 비활성 기체 분위기 중에 열처리를 하게 되면 탄소 질화물은 탄소로 전화되는 동시에 질소 전구체 역할을 하여 TiN이 형성된다. 하지만 이와 같은 exo-templating 방법은 주형법을 이용해 합성한 나노구조의 탄소 질화물에 전구체를 채워넣는 2번의 주형법을 사용해야하는 단점뿐만 아니라 탄소가 섞여 있는 TiN/C 복합체가 형성된다는 문제가 있다.Another method for synthesizing a mesoporous TiN is to use a carbon nitride (C 3 N 4 ) having a mesoporous structure. When the carbon nitride is filled with a titanium precursor and heat-treated in an inert gas atmosphere, the carbon nitride is converted to carbon, and at the same time, TiN is formed as nitrogen precursor. However, this exo-templating method has the disadvantage of using two casting methods to fill the carbon nitride of the nanostructures synthesized using the casting method, as well as forming a carbon-mixed TiN / C composite.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 블록공중합체를 이용한 자기조립 방법과 암모니아 열처리 방법을 이용하여 합성한 다공성 티타늄 질화물을 제공하고, 이를 리튬-공기전지의 전극물질로 적용함으로써 높은 용량과 우수한 사이클 특성, 안정성 등을 보이는 데 있다.An object of the present invention is to provide a porous titanium nitride synthesized by a self-assembly method using a block copolymer and an ammonia heat treatment method, and by applying it as an electrode material of a lithium-air battery, And excellent cycle characteristics and stability.

본 발명의 일측면에 따르면, 복수의 기공을 포함하는 다공성 티타늄 질화물(TiN)이 제공된다.According to an aspect of the invention, there is provided a porous titanium nitride (TiN) comprising a plurality of pores.

상기 기공이 터널(tunnel) 형태일 수 있다.The pores may be in the form of a tunnel.

상기 터널(tunnel) 형태의 기공이 길이 방향으로 서로 나란하게 배열된 것일 수 있다And the tunnel-like pores may be arranged in parallel to each other in the longitudinal direction

상기 터널(tunnel) 형태의 기공을 길이방향에 수직으로 절단한 면이 원형, 타원형, 및 다각형 중에서 선택된 어느 하나의 형태일 수 있다.The surface of the tunnel-like pores cut perpendicular to the longitudinal direction may be any one selected from a circle, an ellipse, and a polygon.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

가스확산층; 및A gas diffusion layer; And

상기 가스확산층 상에 위치하고, 상기 다공성 티타늄 질화물과 고분자 바인더를 포함하는 촉매 복합체;를 포함하는 공기극이 제공된다.And a catalyst composite disposed on the gas diffusion layer, the catalyst composite including the porous titanium nitride and the polymer binder.

상기 가스확산층은 카본 페이퍼(carbon paper), 스테인리스 스틸메시 (Stainless steel mesh), 및 카본나노튜브 페이퍼 (Carbon nanotube paper) 중 어느 하나를 포함 할 수 있다.The gas diffusion layer may include any one of carbon paper, stainless steel mesh, and carbon nanotube paper.

상기 고분자 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 카르복실메틸 셀룰로스(Carboxylmethyl cellulose), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide), 나피온(Nafion) 및 폴리메틸 메타아크릴레이트(Polymethyl methacrylate) 중 어느 하나일 수 있다.The polymer binder may be selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, carboxylmethyl cellulose, polyethylene, polyethylene oxide, Nafion, And may be any one of polymethyl methacrylate.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, According to another aspect of the present invention,

음극; cathode;

상기 공기극; The air electrode;

상기 음극과 공기극 사이에 전해액; 및An electrolyte between the cathode and the cathode; And

상기 음극과 공기극 사이에 분리막: 을 포함하는 리튬 공기 전지가 제공된다.And a separator between the negative electrode and the negative electrode.

상기 전해액이 리튬 아이오다이드(lithium iodide, LiI), 리튬 브로마이드(lithium bromide), 테트라씨아풀버린(Tetrathiafulvalene, TTF), 테트라메틸파이퍼리디닐옥실(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl, TEMPO), 및 트리스 다이에틸아미노페닐아민(tris[4-(diethylamino)phenyl]amine, TDPA) 중에서 선택된 1종 이상의 촉매를 포함할 수 있다.Wherein the electrolyte is selected from the group consisting of lithium iodide (LiI), lithium bromide, Tetrathiafulvalene (TTF), 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl (TEMPO) , And trisdiethylaminophenylamine (tris [4- (diethylamino) phenyl] amine, TDPA).

바람직하게는, 상기 촉매가 리튬 아이오다이드(lithium iodide, LiI)를 포함할 수 있다.Preferably, the catalyst may comprise lithium iodide (LiI).

상기 분리막이 유리섬유, 폴리에틸렌, 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The separation membrane may include at least one selected from glass fiber, polyethylene, and polypropylene.

상기 분리막과 상기 음극 사이에 위치하고, 상기 분리막 상에 폴리우레탄(Polyurethane, PU) 분리막을 추가로 포함할 수 있다. And a polyurethane (PU) separator may be further disposed on the separator between the separator and the cathode.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

티타늄 전구체, 양친성 블록공중합체, 및 용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액을 증발유도 자기조립(evaporation-induced self-assembly, EISA)시켜 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 제조하는 단계(단계 a);Titanium oxide precursor, an amphiphilic block copolymer, and a solvent to prepare a mixed solution, and evaporating-induced self-assembly (EISA) of the mixed solution to prepare a block copolymer-titanium oxide complex (Step a);

상기 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 열처리하여 복수의 기공들이 형성된 다공성 티타늄 산화물을 제조하는 단계(단계 b); 및(B) preparing a porous titanium oxide having a plurality of pores by heat treating the block copolymer-titanium oxide composite; And

상기 다공성 티타늄 산화물을 암모니아(NH3) 분위기에서 열처리하여 복수의 기공들이 형성된 다공성 티타늄 질화물을 제조하는 단계(단계 c);를 포함하는 다공성 티타늄 질화물의 제조방법이 제공된다.Treating the porous titanium oxide in an ammonia (NH 3 ) atmosphere to produce a porous titanium nitride having a plurality of pores (step c); and a step (c) of preparing the porous titanium nitride.

단계 a 후에, 상기 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 가교시켜 가교된 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 제조하는 단계(단계 a')를 추가로 포함할 수 있다.After step a, the block copolymer-titanium oxide composite may be crosslinked to prepare a crosslinked block copolymer-titanium oxide composite (step a ').

상기 티타늄 전구체가 티타늄 이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide), 티타늄 클로라이드 (Titanium chloride), 및 티타늄 부톡사이드 (Titanium butoxide) 중 어느 하나일 수 있다.The titanium precursor may be any one of Titanium isopropoxide, Titanium chloride, and Titanium butoxide.

상기 양친성 블록공중합체가 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체(poly(ethylene oxide)-block- poly(styrene)), 폴레스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체 (poly(styrene)-block-poly(methyl methacrylate)) 및 폴리아이소프렌-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체 (poly(isoprene)-block-poly(ethylene oxide) 중 어느 하나일 수 있다.Wherein the amphiphilic block copolymer is selected from the group consisting of poly (ethylene oxide) -block-poly (styrene), poly (styrene) -block-poly methyl methacrylate) and poly (isoprene) -block-poly (ethylene oxide).

상기 용매는 테트라하이드로퓨란, 크로로포름 및 다이옥세인 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The solvent may be any one selected from tetrahydrofuran, chloroform and dioxane.

단계 a의 증발유도 자기조립이 30 내지 80℃에서 수행될 수 있다.The evaporation-induced self-assembly of step a can be carried out at 30 to 80 占 폚.

단계 b의 열처리가 400 내지 600℃의 온도에서 수행될 수 있다.The heat treatment of step b may be carried out at a temperature of 400 to 600 占 폚.

단계 c의 열처리가 600 내지 800의 온도에서 수행될 수 있다.The heat treatment of step c may be carried out at a temperature of 600 to 800.

본 발명은 블록공중합체를 이용한 자기조립 방법과 암모니아 열처리 방법을 이용하여 합성한 다공성 티타늄 질화물을 제공하고, 이를 리튬-공기전지의 전극물질로 적용했을 때, 높은 용량과 우수한 사이클 특성, 안정성 등을 보이는 효과가 있다.The present invention provides a porous titanium nitride synthesized by a self-assembling method using a block copolymer and an ammonia heat treatment method, and when it is applied to an electrode material of a lithium-air battery, a high capacity, excellent cycle characteristics, There is a visible effect.

도 1은 본 발명의 다공성 티타늄 질화물 합성에 대한 개략도이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 질소 흡착-탈리 곡선과 이와 관계되는 기공 사이즈 분포를 나타낸 결과 (a), SAXS 분석결과(b) 및 XRD 분석결과 (c)에 대해 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1에 따른 SEM 이미지(a), TEM 이미지(b), HR-TEM 이미지(c)를 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 4에 따른 SEM 이미지(a),(b) 및 TEM 이미지(c)를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1, 비교예 2, 비교예 3 및 비교예 4에 따른 라만 스펙트럼 분석결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1, 비교예 2, 비교예 3 및 비교예 4에 따른 리튬-공기 전지의 정전류 충방전 결과에 대해 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 3에 따른 XPS 분석결과를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에 따른 사이클 전후의 XRD 분석결과를 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 1의 사이클 지속에 따른 부산물 형성에 대한 SEM이미지(a), 150사이클 이후 생성된 부산물을 추정하는 XPS분석결과(b)를 나타낸 것이다.
도 10은 비교예 3의 사이클 지속에 따른 부산물 형성에 대한 SEM이미지를 나타낸 것이다.
도 11은 시험예 8에 따른 LiI를 첨가했을 때 전지의 정전류 충방전곡선(a), 시험예 8에 따른 사이클 특성(b), 반응 부산물(LiOH)생성 여부에 대한 XRD분석결과(c)를 나타낸 것이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a schematic view of the synthesis of the porous titanium nitride of the present invention.
2 shows the results (a), SAXS analysis results (b) and XRD analysis results (c) showing the nitrogen adsorption-desorption curves and the pore size distribution related thereto according to Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
3 shows an SEM image (a), a TEM image (b) and an HR-TEM image (c) according to Example 1. Fig.
Fig. 4 shows SEM images (a), (b) and TEM image (c) according to Comparative Example 4. Fig.
FIG. 5 shows the results of Raman spectrum analysis according to Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4. FIG.
Fig. 6 shows the results of constant current charging and discharging of the lithium-air battery according to Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Comparative Example 4. Fig.
FIG. 7 shows the results of XPS analysis according to Example 1 and Comparative Example 3. FIG.
8 shows the XRD analysis results before and after the cycle according to Example 1. Fig.
9 shows an SEM image (a) for the by-product formation according to the cycle duration of Example 1, and an XPS analysis result (b) for estimating the byproducts generated after 150 cycles.
10 shows an SEM image of by-product formation according to the cycle duration of Comparative Example 3. Fig.
11 is a graph showing the results of XRD analysis (c) of the constant current charge / discharge curve (a) of the battery when the LiI was added according to Test Example 8, the cycle characteristics (b) .

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.The invention is capable of various modifications and may have various embodiments, and particular embodiments are exemplified and will be described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Furthermore, terms including an ordinal number such as the first, second, etc. to be used below can be used to describe various elements, but the constituent elements are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, when an element is referred to as being "formed" or "laminated" on another element, it may be directly attached or laminated to the front surface or one surface of the other element, It will be appreciated that other components may be present in the < / RTI >

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

본 발명의 다공성 티타늄 질화물은 복수의 기공을 포함할 수 있다.The porous titanium nitride of the present invention may include a plurality of pores.

상기 기공이 터널(tunnel) 형태일 수 있다.The pores may be in the form of a tunnel.

상기 터널(tunnel) 형태의 기공이 길이 방향으로 서로 나란하게 배열된 것일 수 있다.The tunnel-like pores may be arranged in parallel to one another in the longitudinal direction.

상기 터널(tunnel) 형태의 기공을 길이방향에 수직으로 절단한 면이 원형, 타원형, 및 다각형 중에서 선택된 어느 하나의 형태일 수 있다. 또한 상기 다각형의 구체적인 예는 사각형, 오각형, 육각형(hexagonal), 칠각형, 또는 팔각형일 수 있고, 바람직하게는 육각형일 수 있으며 이에 한정하는 것은 아니다.The surface of the tunnel-like pores cut perpendicular to the longitudinal direction may be any one selected from a circle, an ellipse, and a polygon. Also, specific examples of the polygon may be a square, a pentagon, a hexagonal, a hexagon, or an octagon, and may be hexagonal, but are not limited thereto.

본 발명의 공기극은 가스확산층; 및 상기 가스확산층 상에 위치하고, 상기 다공성 티타늄 질화물과 고분자 바인더를 포함하는 촉매 복합체;를 포함할 수 있다.The air electrode of the present invention comprises a gas diffusion layer; And a catalyst composite disposed on the gas diffusion layer, the catalyst composite including the porous titanium nitride and the polymer binder.

상기 가스확산층은 스테인리스 스틸메시 (Stainless steel mesh), 및 카본나노튜브 페이퍼 (Carbon nanotube paper) 중 어느 하나 일 수 있다. The gas diffusion layer may be any one of a stainless steel mesh and a carbon nanotube paper.

상기 고분자 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 카르복실메틸 셀룰로스(Carboxylmethyl cellulose), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide), 나피온(Nafion) 및 폴리메틸 메타아크릴레이트(Polymethyl methacrylate) 중 어느 하나일 수 있다. The polymer binder may be selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, carboxylmethyl cellulose, polyethylene, polyethylene oxide, Nafion, And may be any one of polymethyl methacrylate.

본 발명의 리튬-공기 전지는 음극; 상기 공기극; 상기 음극과 공기극 사이에 전해액; 및 상기 음극과 공기극 사이에 분리막: 을 포함할 수 있다.The lithium-air battery of the present invention comprises a negative electrode; The air electrode; An electrolyte between the cathode and the cathode; And a separator between the cathode and the cathode.

상기 전해액이 리튬 아이오다이드(lithium iodide, LiI), 리튬 브로마이드(lithium bromide), 테트라씨아풀버린(Tetrathiafulvalene, TTF), 테트라메틸파이퍼리디닐옥실(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl, TEMPO), 및 트리스 다이에틸아미노페닐아민(tris[4-(diethylamino)phenyl]amine, TDPA) 중에서 선택된 1종 이상의 촉매를 포함할 수 있다. Wherein the electrolyte is selected from the group consisting of lithium iodide (LiI), lithium bromide, Tetrathiafulvalene (TTF), 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl (TEMPO) , And trisdiethylaminophenylamine (tris [4- (diethylamino) phenyl] amine, TDPA).

바람직하게는, 상기 촉매가 리튬 아이오다이드(lithium iodide, LiI)를 포함할 수 있다.Preferably, the catalyst may comprise lithium iodide (LiI).

상기 분리막이 유리섬유, 폴리에틸렌, 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The separation membrane may include at least one selected from glass fiber, polyethylene, and polypropylene.

상기 분리막과 상기 음극 사이에 위치하고, 상기 분리막 상에 폴리우레탄(Polyurethane, PU) 분리막을 추가로 포함할 수 있다.And a polyurethane (PU) separator may be further disposed on the separator between the separator and the cathode.

본 발명의 다공성 티타늄 질화물의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.The production method of the porous titanium nitride of the present invention will be described.

먼저, 티타늄 전구체, 양친성 블록공중합체, 및 용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액을 증발유도 자기조립(evaporation-induced self-assembly, EISA)시켜 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 제조한다(단계 a).First, a mixed solution is prepared by mixing a titanium precursor, an amphiphilic block copolymer, and a solvent, and the mixed solution is subjected to evaporation-induced self-assembly (EISA) to prepare a block copolymer-titanium oxide composite (Step a).

단계 a 후에, 상기 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 가교시켜 가교된 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 제조하는 단계(단계 a')를 추가로 포함할 수 있다.After step a, the block copolymer-titanium oxide composite may be crosslinked to prepare a crosslinked block copolymer-titanium oxide composite (step a ').

상기 티타늄 전구체가 티타늄 이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide), 티타늄 클로라이드 (Titanium chloride), 및 티타늄 부톡사이드 (Titanium butoxide) 중 어느 하나일 수 있다. The titanium precursor may be any one of Titanium isopropoxide, Titanium chloride, and Titanium butoxide.

상기 양친성 블록공중합체가 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체(poly(ethylene oxide)-block- poly(styrene)), 폴레스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 (poly(styrene)-block-poly(methyl methacrylate)) 및 폴리아이소프렌-폴리에틸렌옥사이드 (poly(isoprene)-block-poly(ethylene oxide) 중 어느 하나일 수 있다. Wherein the amphiphilic block copolymer is selected from the group consisting of polyethylene oxide-block-poly (styrene), poly (styrene) -block-poly (methyl methacrylate) ) And poly (isoprene) -block-poly (ethylene oxide).

상기 용매는 테트라하이드로퓨란, 크로로포름 및 다이옥세인 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. The solvent may be any one selected from tetrahydrofuran, chloroform and dioxane.

단계 a의 증발유도 자기조립이 30 내지 80℃의 온도에서 수행될 수 있다. The evaporation-induced self-assembly of step a can be carried out at a temperature of 30 to 80 占 폚.

다음으로 상기 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 열처리하여 복수의 기공들이 형성된 다공성 티타늄 산화물을 제조한다(단계 b).Next, the block copolymer-titanium oxide composite is heat-treated to produce a porous titanium oxide having a plurality of pores (step b).

단계 b의 열처리가 400 내지 600℃의 온도에서 수행될 수 있다.The heat treatment of step b may be carried out at a temperature of 400 to 600 占 폚.

다음으로 상기 다공성 티타늄 산화물을 암모니아(NH3) 분위기에서 열처리하여 복수의 기공들이 형성된 다공성 티타늄 질화물을 제조한다(단계 c).Next, the porous titanium oxide is heat-treated in an ammonia (NH 3 ) atmosphere to produce a porous titanium nitride having a plurality of pores (step c).

단계 c의 열처리가 600 내지 800의 온도에서 수행될 수 있다. The heat treatment of step c may be carried out at a temperature of 600 to 800.

[실시예] [Example]

시약reagent

Monomethoxy PEO5000 (mPEO5000), 2-브로모이소부티릴브로마이드(2-bromoisobutyrylbromide), 펜타메틸디에틸렌트리아민(pentamethyldiethylenetriamine, PMDETA), 디클로로메탄(dichloromethane, CH2Cl2), 트리에틸아민(triethylamine, TEA), 스티렌(styrene), 메탄올(methanol), 브롬화구리(copper bromide, CuBr), 페놀(phenol), 포름알데히드 용액(formaldehyde solution, 37wt% in H2O), 티타늄 이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide, TTIP), 염산(hydrochloric acid, 37wt% in water), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 상용 티타늄질화물(commercial TiN, c-TiN), 테트라에틸 오르소실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS), 폴리비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride), PVDF), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 과염소산리튬(lithium perchlorate, LiClO4), 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane, DME), 및 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME)의 재료는 Sigma-Aldrich 제품이며 구입 후 정제 없이 바로 사용하였다. 페놀포름알데이드 수지(Phenol-formaldehyde resin)는 페놀과 포르말린의 basic polymerization 합성법을 통해 합성하였다. 구조유도체인 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체(PEO-b-PS)은 원자이동 라디칼 중합 (atomic transfer radical-polymerization, ATRP) 방법을 이용하여 합성하였고, 두 블록 중 PEO 블록의 분자량은 5kg mol- 1 로 일정하게 유지하였다.(2-bromoisobutyrylbromide), pentamethyldiethylenetriamine (PMDETA), dichloromethane (CH 2 Cl 2 ), triethylamine (TEA ), Styrene, methanol, copper bromide (CuBr), phenol, formaldehyde solution (37 wt% in H 2 O), titanium isopropoxide, TTIP), hydrochloric acid (37 wt% in water), tetrahydrofuran (THF), commercial TiN (c-TiN), tetraethylorthosilicate (TEOS), polyvinylidene fluoride (Vinylidene fluoride), PVDF, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and 1,2-dimethoxyethane 1,2-dimethoxyethane, DME), and tetraethyleneglycol dimethyl ether ene glycol dimethyl ether, TEGDME) was purchased from Sigma-Aldrich and used immediately after purchase without purification. Phenol-formaldehyde resin was synthesized by basic polymerization synthesis of phenol and formalin. Structural derivatives of polyethylene oxide-polystyrene block copolymer (PEO- b -PS) was synthesized using the atom transfer radical polymerization (atomic transfer radical-polymerization, ATRP) method, the molecular weight of the PEO block of the two blocks is 5kg mol-1 .

제조예 1: 페놀포름알데히드 수지Production Example 1: phenol formaldehyde resin

페놀포름알데이드 수지를 basic polymerization 방법으로 제조하였다. 페놀 12.2 g (130 mmol)을 플라스크 내부에 넣고 42℃에서 녹인 후 20wt%의 수산화나트륨 2.6 g (13 mmol)을 천천히 투입하였다. 이후에 37 wt%의 포름알데히드 용액 21g을 투입하였다. 그리고 반응기의 온도를 70℃에서 한 시간 유지한 후 식혔다. 더이상의 중합을 막기 위하여 염산(HCl)을 이용하여 중성 용액이 될 때까지 적정하였다. 이후 50℃ 진공 오븐에서 건조하여 수분을 제거한 후, 테트라하이드로퓨란(THF) 용액을 넣어 염화나트륨을 침전시켜 제거하고, 테트라하이드로퓨란(THF)을 건조하였다. Phenol formaldehyde resin was prepared by basic polymerization method. 12.2 g (130 mmol) of phenol was added to the inside of the flask and dissolved at 42 DEG C, and then 2.6 g (13 mmol) of 20 wt% sodium hydroxide was slowly added thereto. Then 21 g of a 37 wt% formaldehyde solution was added. The temperature of the reactor was maintained at 70 DEG C for one hour and then cooled. The solution was titrated with hydrochloric acid (HCl) until it became a neutral solution to prevent further polymerization. After drying at 50 ° C in a vacuum oven to remove moisture, tetrahydrofuran (THF) solution was added to precipitate sodium chloride to remove tetrahydrofuran (THF).

제조예 2: 폴리(에틸렌 옥사이드)-폴리(스티렌) 블록공중합체Preparation Example 2 Preparation of poly (ethylene oxide) -poly (styrene) block copolymer

폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체를 원자이동 라디칼 중합방법으로 제조하였다. PEO-Br을 만들기 위해, 폴리에틸렌 옥사이드 고분자 (mPEO-OH) 20g을 디클로로메탄(100ml)에 녹인 후 5 ml의 트리에틸아민(TEA)을 넣었다. 0℃ 조건에서 교반한 후, 2-브로모이소부티릴브로마이드(2-bromoisobutylbromide) 1.48 ml를 dropwise로 투입하였다. 이후 8 시간 동안 상온에서 반응을 유지하였다. 결과물을 DI water와 ether를 이용해 추출/정재 후 진공에서 건조하였다. A polyethylene oxide - polystyrene block copolymer was prepared by atom transfer radical polymerization. To make PEO-Br, 20 g of polyethylene oxide polymer (mPEO-OH) was dissolved in dichloromethane (100 ml) and 5 ml of triethylamine (TEA) was added. After stirring at 0 ° C, 1.48 ml of 2-bromoisobutylbromide was added dropwise. Thereafter, the reaction was maintained at room temperature for 8 hours. The resultant was extracted / purified using DI water and ether, and dried in vacuum.

2.539g (0.5mmol)의 PEO-Br에 스틸렌 20g (192mmol), 브롬화구리 0.071g (0.5mmol), 펜타메틸디에틸렌트리아민(PMDETA) 0.085g (0.5mmol)을 투입하였다. 진공 분위기를 만든 후에 110℃로 반응기의 온도를 높여 12시간 동안 유지하였다. 결과물은 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹인 후 알루미나 컬럼을 통과시켜 구리(Copper)촉매를 제거하여 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체 (PEO-b-PS)를 제조하였다. 20 g (192 mmol) of styrene, 0.071 g (0.5 mmol) of copper bromide and 0.085 g (0.5 mmol) of pentamethyldiethylenetriamine (PMDETA) were added to 2.539 g (0.5 mmol) of PEO-Br. After making the vacuum atmosphere, the temperature of the reactor was elevated to 110 캜 and maintained for 12 hours. The resultant was dissolved in tetrahydrofuran (THF) and then passed through an alumina column to remove the copper catalyst to prepare a polyethylene oxide-polystyrene block copolymer (PEO-b-PS).

실시예 1: m-TiN의 제조Example 1: Preparation of m-TiN

실시예 1의 합성에 대한 개략도를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하여 설명하면, 1.2 g의 티타늄 이소프로폭사이드(TTIP)를 4.4 g의 고분자 용액 (폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체 (PEO-b-PS, 25 kg mol-1): 염산(HCl) : 물(H2O) : 테트라하이드로퓨란(THF) = 1 : 1.1 : 1.9 : 18, 질량비)에 투입하였다. 한 시간의 교반 후 용액을 유리 접시에서 (50℃) 증발시켰다. 용매의 증발 후 100℃ 오븐 내에서 12시간 가교시킨 후 1℃/min의 속도로 500℃까지 승온시킨 후 3시간 공기중에서 열처리를 진행했다. 열처리 이후 상온으로 식힌 후에 1℃/min의 속도로 700℃까지 승온시킨 후 10시간 유지하면서 열처리를 통해 메조다공성 티타늄 질화물(mesoporous TiN, m-TiN)을 합성하였다. A schematic diagram of the synthesis of Example 1 is shown in Fig. 1, 1.2 g of titanium isopropoxide (TTIP) was dissolved in 4.4 g of a polymer solution (polyethylene oxide-polystyrene block copolymer (PEO- b- PS, 25 kg mol -1 ): hydrochloric acid ): Water (H 2 O): tetrahydrofuran (THF) = 1: 1.1: 1.9: 18, mass ratio). After stirring for one hour, the solution was evaporated on a glass plate (50 ° C). After the evaporation of the solvent, the mixture was crosslinked in an oven at 100 ° C for 12 hours, heated to 500 ° C at a rate of 1 ° C / min, and then heat-treated in air for 3 hours. After cooling to room temperature after heating, the temperature was raised to 700 ° C at a rate of 1 ° C / min, and mesoporous TiN (m-TiN) was synthesized through heat treatment for 10 hours.

비교예 1: 22nm의 기공을 갖는 m-TiOComparative Example 1: m-TiO having pores of 22 nm 22 의 제조Manufacturing

실시예 1에서 열처리 이후 상온으로 식힌 1℃/min의 속도로 700℃까지 승온시킨 후 10시간 유지하면서 열처리를 하는 대신에 이 과정을 생략하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 메조다공성 티타늄 산화물 (mesoporous TiO2, m-TiO2)을 합성하였다.In the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was carried out after the heat treatment in Example 1 and the temperature was raised to 700 ° C at a rate of 1 ° C / Porous titanium oxide (mesoporous TiO 2 , m-TiO 2 ) was synthesized.

비교예 2: 33nm의 기공을 갖는 m-TiOComparative Example 2: m-TiO having pores of 33 nm 22 의 제조Manufacturing

실시예 1에서 1.2 g의 티타늄 이소프로폭사이드(TTIP)를 4.4 g의 고분자 용액 (폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체 (PEO-b-PS, 25 kg mol-1): 염산(HCl) : 물(H2O) : 테트라하이드로퓨란(THF) = 1 : 1.1 : 1.9 : 18, 질량비)에 투입 하는 대신에 1.1g의 티타늄 이소프로폭사이드 (TTIP)를 4.4g의 고분자 용액 (폴리에틸렌옥사이드-블록-폴리스티렌 (PEO-b-PS, 25kg mol-1): 염산(HCl) : 물(H2O) : 테트라하이드로퓨란(THF) = 1 : 1.1 : 1.9 : 18, 질량비)에 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 메조다공성 티타늄 산화물 (mesoporous TiO2, m-TiO2)을 합성하였다.In Example 1, 1.2 g of titanium isopropoxide (TTIP) was added to 4.4 g of a polymer solution (polyethylene oxide-polystyrene block copolymer (PEO- b- PS, 25 kg mol -1 ): hydrochloric acid (HCl) H 2 O): tetrahydrofuran (THF) = 1: 1.1: 1.9: 18, mass ratio) of the polymer solution, 4.4g of titanium isopropoxide (TTIP) of 1.1g instead of the input (polyethylene oxide-block- (PEO- b- PS, 25 kg mol -1 ): hydrochloric acid (HCl): water (H 2 O): tetrahydrofuran (THF) = 1: 1.1: 1.9: Mesoporous titanium oxide (mesoporous TiO 2 , m-TiO 2 ) was synthesized in the same manner as in Example 1.

비교예Comparative Example 3: 구조규칙성  3: Structural regularity 메조다공성Mesoporous 탄소(Ordered  Carbon (Ordered MesoporousMesoporous Carbon,  Carbon, OMCOMC )의 제조)

0.38g의 페놀포름알데이드 수지와 0.17g의 테트라에틸 오르소실리케이트 (TEOS)를 4g의 고분자 용액 (폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체 (PEO-b-PS, 30kg mol-1): 염산(HCl) : H2O : 테트라하이드로퓨란(THF) = 1 : 0.2 : 0.34 : 18, 질량비)에 투입하였다. 용액은 60℃ 의 접시에서 건조 후 800℃ 질소 분위기에서 열처리를 진행하였다. 열처리 후 이산화규소(SiO2)를 제거하기 위하여 10wt% 플루오린화 수소(hydrogen fluoride, HF)용액에서 교반 후 세척하였다.(Polyethylene oxide-polystyrene block copolymer (PEO- b- PS, 30 kg mol -1 ): hydrochloric acid (HCl) was added to a solution of 4 g of a phenol formaldehyde resin and 0.17 g of tetraethyl orthosilicate : H 2 O: tetrahydrofuran (THF) = 1: 0.2: 0.34: 18, mass ratio). The solution was dried in a dish at 60 ° C and then heat-treated in a nitrogen atmosphere at 800 ° C. After the heat treatment, the substrate was washed with 10 wt% hydrogen fluoride (HF) solution to remove silicon dioxide (SiO 2 ).

비교예 4: 상용 티타늄질화물 (commercial TiN, c-TiN)Comparative Example 4: Commercial titanium nitride (commercial TiN, c-TiN)

상용 TiN (c-TiN)은 Sigma-Aldrich 제품이며 구입 후 정제없이 바로 사용하였다.Commercial TiN (c-TiN) was a Sigma-Aldrich product and was used immediately after purchase without purification.

실시예 2 : 공기극의 제조Example 2: Preparation of air electrode

실시예 1에 따라 제조된 m-TiN을 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 95 : 5 질량 비율로 혼합한 후 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)를 투입하여 슬러리를 제작하였다. 제작한 슬러리를 가스 확산층 (gas diffusion layer, TGPH-090, 16mm diameter, Toray, Japan)에 코팅하였다. 그 후, 70℃ 진공 조건에서 12시간 건조하여 공기극을 제조하였다.M-TiN prepared in Example 1 was mixed with polyvinylidene fluoride (PVDF) in a mass ratio of 95: 5, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added thereto to prepare a slurry. The prepared slurry was coated on a gas diffusion layer (TGPH-090, 16 mm diameter, Toray, Japan). Thereafter, it was dried at 70 캜 under a vacuum condition for 12 hours to prepare an air electrode.

소자실시예 1 : 리튬공기전지의 제조Device Example 1: Manufacture of lithium air cell

전지 제작을 위하여 음극으로 600um 두께의 리튬 (Honjo, Japan)을 사용하였으며, 유리 섬유 멤브레인(glass fiber membrane, GF/D, Whatman, USA)을 분리막으로 사용하였다. 전해액으로는 1M의 LiClO4 in TEGDME (Aldrich, USA)를 사용하였다.A 600 μm thick lithium (Honjo, Japan) was used as a cathode for the fabrication of the cell, and a glass fiber membrane (GF / D, Whatman, USA) was used as a separator. As the electrolyte, 1M LiClO 4 in TEGDME (Aldrich, USA) was used.

공기극 실시예 1에 따른 공기극과 상기 음극, 분리막 및 전해액을 사용하여 공기극, 분리막, 전해질 투여, 음극 순서로 2032 규격의 코인 셀을 제조하였다. Air electrode A 2032 coin cell was fabricated in the order of cathode, separator, electrolyte, and cathode using the cathode according to Example 1, the cathode, the separator, and the electrolyte.

소자실시예 2 : 요오드화 리튬 (LiI)이 첨가된 리튬-공기전지의 제조Device Example 2: Preparation of lithium-air battery to which lithium iodide (LiI) was added

전해액으로 1M의 LiClO4 in TEGDME (Aldrich, USA)를 사용한 것 대신에 요오드화 리튬 (LiI)을 0.05 M 농도로 첨가한 1M의 LiClO4 in TEGDME (Aldrich, USA)를 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 2032 규격의 코인 셀을 제조하였다.Except that 1 M of LiClO 4 in TEGDME (Aldrich, USA) in which lithium iodide (LiI) was added at a concentration of 0.05 M instead of 1 M of LiClO 4 in TEGDME (Aldrich, USA) 2032 coin cells were prepared in the same manner as in Example 1.

소자실시예Device Example 3 : 요오드화 리튬 ( 3: Lithium iodide ( LiILiI )과 polyurethane (PU) 분리막이 첨가된 리튬-공기전지의 제조) And polyurethane (PU) membranes were prepared.

분리막으로서 유리 섬유 멤브레인(glass fiber membrane, GF/D, Whatman, USA)을 사용한 것 대신에 유리 섬유 멤브레인(glass fiber membrane, GF/D, Whatman, USA)뿐만 아니라, 유리 섬유 멤브레인(glass fiber membrane, GF/D, Whatman, USA)과 리튬 금속(음극) 사이에 polyurethane (PU) 분리막(En-Ha Mechanics)을 추가로 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 2032 규격의 코인 셀을 제조하였다.(GF / D, Whatman, USA) as well as a glass fiber membrane (glass fiber membrane, GF / D, Whatman, USA) Except that a polyurethane (PU) separator (En-Ha Mechanics) was additionally used between the anode (GF / D, Whatman, USA) and the lithium metal (cathode) Respectively.

소자비교예 1Device Comparative Example 1

실시예 1에 따라 제조된 m-TiN을 사용하는 대신에 비교예 2에 따라 제조된 m-TiO2를 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 2032 규격의 코인 셀을 제조하였다. Coin cells of the 2032 standard were prepared in the same manner as in Example 1 except that m-TiO 2 prepared according to Comparative Example 2 was used instead of m-TiN prepared according to Example 1.

소자비교예 2Device Comparative Example 2

실시예 1에 따라 제조된 m-TiN을 사용하는 대신에 비교예 3에 따라 제조된 OMC를 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 2032 규격의 코인 셀을 제조하였다. A coin cell of the 2032 standard was prepared in the same manner as in Example 1 except that the OMC produced in accordance with Comparative Example 3 was used instead of the m-TiN produced in Example 1.

소자비교예Device comparison example 3 3

실시예 1에 따라 제조된 m-TiN을 사용하는 대신에 비교예 4에 사용된 c-TiN을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 2032 규격의 코인 셀을 제조하였다. A 2032 coin cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the c-TiN used in Comparative Example 4 was used instead of the m-TiN produced according to Example 1.

소자비교예 4Device Comparative Example 4

실시예 1에 따라 제조된 m-TiN을 사용하는 대신에 비교예 3에 따라 제조된 OMC를 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 2와 동일한 방법으로 2032 규격의 코인 셀을 제조하였다. A coin cell of the 2032 standard was prepared in the same manner as in Example 2 except that OMC prepared according to Comparative Example 3 was used instead of m-TiN prepared according to Example 1.

[시험예][Test Example]

도면에서 실시예 1의 메조다공성 티타늄 질화물 또는 그를 포함하는 리튬-공기전지를 m-TiN, 비교예 2의 메조다공성 티타늄 산화물 또는 그를 포함하는 리튬-공기전지를 m-TiO2 , 비교예 3의 구조규칙성 메조다공성 탄소 또는 그를 포함하는 리튬-공기전지를 OMC, 비교예 4의 상용 티타늄 질화물 또는 그를 포함하는 리튬-공기전지를 c-TiN으로 나타냈다.M-TiN, the mesoporous titanium oxide of Comparative Example 2, or the lithium-air battery containing the same was referred to as m-TiO 2 , the structure of Comparative Example 3 Regularly mesoporous carbon or a lithium-air cell containing the same was designated as OMC, the comparative titanium nitride of Comparative Example 4, or a lithium-air cell containing the same, as c-TiN.

시험예 1: 질소 흡착-탈리 곡선, SAXS 및 XRD 분석Test Example 1: Nitrogen adsorption-desorption curve, SAXS and XRD analysis

X-선 회절(X-ray diffraction, XRD)분석은 Bruker D8 Advanced XRD/micro XRD, Bruker/Rigaku, USA/Japan을 이용하여 분석하였으며 (Cu Kα (λ= 0.15406 nm)), Small-angle X-ray scattering (SAXS)는 포항 방사광 가속기 4C 라인에서 측정하였다. 질소 흡탈착 법은 TriStar 3020, Micrometrics, USA을 이용하여 분석하였다.X-ray diffraction (XRD) analysis was performed using a Bruker D8 Advanced XRD / micro XRD, Bruker / Rigaku and USA / Japan (Cu Kα (λ = 0.15406 nm) ray scattering (SAXS) was measured on a 4C line of Pohang radiation accelerator. Nitrogen adsorption / desorption was analyzed using TriStar 3020, Micrometrics, USA.

도 2는 실시예 1, 비교예 1에 따라 제조된 생성물에 대한 질소 흡탈착 곡선과 이와 관계되는 기공 사이즈 분포를 나타낸 결과 (a), SAXS 분석결과(b) 및 XRD 분석결과(c)에 대해 나타낸 것이다. FIG. 2 is a graph showing the results of (a), SAXS analysis results (b), and XRD analysis results (c) showing the nitrogen adsorption / desorption curves for the products prepared in Example 1 and Comparative Example 1, .

도 2의 (a)에 따르면, 실시예 1과 비교예 1은 모두 type-IV 형태의 히스테리시스를 보이며, P/P o 값은 ~0.9, ~0.95에서 흡착 곡선의 가파른 증가를 나타냈다. 이는 실시예 1과 비교예 1 모두 메조다공성 구조를 가짐을 의미한다.According to FIG. 2 (a), both Example 1 and Comparative Example 1 exhibited type-IV hysteresis and a steep increase in the adsorption curve at P / P o values of ~ 0.9 and ~ 0.95. This means that both Example 1 and Comparative Example 1 have a mesoporous structure.

기공의 크기는 Barrett-Joner-Halenda (BJH)법으로 측정되었고, 실시예 1은 37 nm, 비교예 1은 23 nm로 열처리 이후 기공의 크기가 더욱 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이는 고온에서 구조의 수축과 산화물로부터 질화물로의 구조 변화로 인한 것으로 추정된다.The pore size was measured by the Barrett-Joner-Halenda (BJH) method, and it was confirmed that the pore size was further increased after heat treatment at 37 nm in Example 1 and 23 nm in Comparative Example 1. It is assumed that this is due to shrinkage of the structure at high temperature and structural change from oxide to nitride.

Brunauer-Emmett-Teller (BET)법으로 측정한 비표면적과 기공부피는 실시예 1은 각각 58 m2 g-1, 0.36 cm3 g-1, 비교예 1은 각각 65m2 g-1, 0.3 cm3 g-1로 나타났다.The specific surface area and pore volume measured by the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method were 58 m 2 g -1 and 0.36 cm 3 g -1 in Example 1, 65 m 2 g -1 and 0.3 cm 2 in Comparative Example 1, 3 g -1 .

도 2의 (b)에 따르면, SAXS(Small-angle X-ray scattering) 패턴은 EISA이후 열처리 이전의 샘플 (as-made)은 (100), (200), (210), (300)에 해당하는 피크들이 나타나 2-D hexagonal구조임을 의미한다. 비교예 1의 경우 메인 피크의 x값이 증가하였는데 이는 규칙적인 패턴간의 간격이 줄어들었음을 의미한다. 이는 유기물 (PS블록) 제거와 TiO2결정의 성장 때문인 것으로 추정된다. 실시예 1의 경우 메인 피크의 x 값이 다시 감소하는데 이는 질소 흡착 실험에서 기공의 크기가 증가한 현상과 유사하다.2 (b), the SAXS (Small-angle X-ray scattering) pattern corresponds to (100), (200), (210) and (300) Peaks appear to be 2-D hexagonal structures. In the case of Comparative Example 1, the x value of the main peak increased, which means that the interval between regular patterns was reduced. This is presumed to be due to organic (PS block) removal and growth of TiO 2 crystals. In the case of Example 1, the x value of the main peak decreases again, which is similar to the increase of the pore size in the nitrogen adsorption experiment.

도 2의 (c)에 따르면 XRD 결과를 통해서 비교예 1인 anatase TiO2 (JCPDS#: 78-2486) 결정 구조가 실시예 1인 cubic TiN (JCPDS#: 87-0633)으로 완전히 전환되었음을 보여준다. Debye-Scherrer equation을 통해 결정 크기를 계산해 본 결과 15.9 nm(비교예 1)에서 16.3 nm(실시예 1)로 증가함을 보였다.According to FIG. 2 (c), the crystal structure of anatase TiO 2 (JCPDS #: 78-2486) of Comparative Example 1 was completely converted to cubic TiN (JCPDS #: 87-0633) of Example 1 through XRD results. Calculating the crystal size through the Debye-Scherrer equation shows that it increases from 15.9 nm (Comparative Example 1) to 16.3 nm (Example 1).

시험예 2: SEM 및 TEM 이미지 분석Test Example 2: SEM and TEM image analysis

샘플의 구조 분석을 위해서 field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Hitachi S-4200/S-4800, Japan)와 field-emission tunneling electron microscopy (FE-TEM, Tecnai F-30 S-Twin, FEI, USA) 을 사용하였다.In order to analyze the structure of the sample, field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Hitachi S-4200 / S-4800, Japan) USA) was used.

도 3의 (a)는 실시예 1의 SEM 이미지를 나타낸 것이고, (b)는 실시예 1의 TEM 이미지이고, (c)는 실시예 1의 HR-TEM 이미지이다.3 (a) is an SEM image of Example 1, (b) is a TEM image of Example 1, and (c) is an HR-TEM image of Example 1. Fig.

도 4는 (a)와 (b)는 비교예 4의 SEM 이미지를 나타낸 것이고, (c)는 비교예 4의 TEM 이미지를 나타낸 것이다.4 (a) and 4 (b) show SEM images of Comparative Example 4, and FIG. 4 (c) shows TEM images of Comparative Example 4.

도 3의 (a), (b), (c)에 따르면, 실시예 1의 생성물에서 암모니아 열처리 이후에도 구조가 무너지지 않고 헥사고날(hexagonal)한 메조다공성 구조가 유지됨을 확인할 수 있었다.3 (a), 3 (b) and 3 (c), it was confirmed that the hexagonal mesoporous structure of the product of Example 1 was retained even after the ammonia heat treatment.

도 4의 (a), (b)에 따르면 비교예 4의 물질에서 수백 나노미터에서 수 마이크로 미터까지 다양한 입자 크기와 기공 분포가 없는 모양을 확인할 수 있었다. 4 (a) and 4 (b), it was confirmed that the material of Comparative Example 4 had no particle size and pore distribution ranging from several hundred nanometers to several micrometers.

c-TiN은 수 백 나노미터에서 수 마이크로 미터까지 다양한 입자 크기를 가지며 기공의 분포가 없는 모양을 가진다. 따라서 기공 구조를 갖는 m-TiN에 비해 표면적이 낮아 반응 면적이 작다는 사실을 확인할 수 있었다.The c-TiN has a particle size ranging from several hundred nanometers to several micrometers and has a shape with no distribution of pores. Therefore, it can be confirmed that the reaction area is small because the surface area is lower than that of the m-TiN having the pore structure.

시험예 3: 라만 스펙트럼 분석Test Example 3: Raman spectrum analysis

라만 스펙트럼 분석(high-resolution dispersive Raman microscope (Horiba Jobin Yvon, France))은 탄소의 존재를 입증하기 위하여 수행되었으며, 그 분석결과를 도 5에 나타내었으며, 구체적으로 도 5의 (a)는 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 4에 대한 라만 스펙트럼 분석결과이고, (b)는 비교예 3에 대한 라만 스펙트럼 분석결과를 나타낸 것이다.The results of the analysis are shown in FIG. 5, and specifically, FIG. 5 (a) is a graph showing the results of analysis 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 4, and (b) shows the results of Raman spectrum analysis for Comparative Example 3. FIG.

도 5의 (a)에 따르면, 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 4의 생성물은 G-band와 D-band가 나타나지 않아 탄소가 존재하지 않음을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 4의 라만 스펙트럼은 실시예 1과 같지 않고 Rutile상이 존재함을 통해 표면산화로 인해 표면에 oxide층이 형성되었음을 확인할 수 있었다.According to FIG. 5 (a), the products of Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 4 did not show G-band and D-band, indicating that no carbon was present. In addition, the Raman spectrum of Comparative Example 4 was not the same as that of Example 1, and it was confirmed that an oxide layer was formed on the surface due to surface oxidation through the presence of Rutile phase.

그러나, 도 5의 (b)에 따르면 비교예 3의 생성물은 1590 cm-1(G-band) 및 1340 cm-1(D-band)의 두 밴드를 통해 탄소가 존재함을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 3에 D-band가 존재함을 통해, 탄소에 결함이 많이 존재함을 확인할 수 있었다. However, according to FIG. 5 (b), the product of Comparative Example 3 was found to contain carbon through two bands of 1590 cm -1 (G-band) and 1340 cm -1 (D-band). In addition, it was confirmed that a large number of defects were present in carbon through the presence of the D-band in Comparative Example 3.

시험예 4: 리튬-공기전지의 정전류 충방전 곡선Test Example 4: Constant current charge / discharge curve of lithium-air battery

도 6의 (c)는 소자실시예 1, (b)는 소자비교예 1, (d)는 소자비교예 2, (a)는 소자비교예 3의 리튬-공기전지의 정전류 충방전 결과이다. 사이클이 지속될수록 소자비교예 2는 용량이 감소하는 반면 소자실시예 1은 용량이 지속적으로 증가하였으며 100사이클에 도달할 때까지 소자비교예 2에 비해 높은 용량을 보였다. 이는 사이클이 지속됨에 따라 전극/산소/전해액 3상 계면의 형성이 활성화되기 때문인 것으로 추정된다. 소자비교예 1과 소자비교예 3의 경우도 사이클이 지속됨에 따라 일부 용량이 증가하지만 소자실시예 1에 비해 용량이 매우 낮았다. 상용 TiN을 사용한 소자비교예 3의 경우 전극 물질의 표면적이 낮으며 입자가 크고 서로 연결성이 떨어지기 때문에 낮은 용량을 나타내는 것으로 생각된다.Fig. 6 (c) is a device comparison example 1, (b) is a device comparison example 1, (d) is a device comparison example 2, and Fig. 6 (a) shows a constant current charge / discharge result of the lithium- As the cycle continued, the device of Comparative Example 2 showed a decrease in capacity, whereas the device of Example 1 showed an increase in capacity continuously and a higher capacity than that of Comparative Example 2 until reaching 100 cycles. This is presumed to be due to activation of the electrode / oxygen / electrolyte three-phase interface as the cycle continues. In the device comparison example 1 and the device comparison example 3, as the cycle continued, the capacity increased slightly, but the capacity was much lower than that of the device example 1. In Comparative Example 3 using commercial TiN, it is considered that the surface area of the electrode material is low and the capacitance is low because the particles are large and the interconnectivity is low.

시험예 5: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석Test Example 5: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis

물질의 화학적 상태를 분석하기 위해 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, K-alpha, Thermo VG Scientific, England) with an Al-Kα line as the X-ray source를 사용하였다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, K-alpha, Thermo VG Scientific, England) with an Al-Kα line as the X-ray source was used to analyze the chemical state of the material.

도 7의 (a)는 소자실시예 1과 소자비교예 3의 pristine 상태의 XPS분석 그래프이고, 도 7의 (b)는 소자실시예 1의 150 사이클 이후의 XPS분석 그래프이다.FIG. 7A is an XPS analysis graph of the pristine state of the element embodiment 1 and the element comparison example 3, and FIG. 7B is an XPS analysis graph of the element embodiment 1 after 150 cycles.

도 7의 (a)를 보면 일부 Oxynitride (TiOxNy)가 형성되었는데 이는 전기전도성이 높은 막을 형성하기 때문에 소자실시예 1이 소자비교예 3에 비해 높은 용량이 나타나는 것으로 해석할 수 있다.In FIG. 7 (a), some oxynitride (TiO x N y ) was formed. This shows that the device of Example 1 has a higher capacity than the device of Comparative Example 3 because it forms a highly conductive film.

도 7의 (b)를 보면 소자실시예 1의 표면은 150 사이클 이후에도 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있었다.7 (b), it was confirmed that the surface of the device Example 1 was stably maintained after 150 cycles.

시험예 6: m-TiN의 안정성 평가Test Example 6: Evaluation of stability of m-TiN

X-선 회절분석(XRD)은 Bruker D8 Advanced XRD/micro XRD, Bruker/Rigaku, USA/Japan)을 이용하였다.Bruker D8 Advanced XRD / micro XRD, Bruker / Rigaku, USA / Japan) was used for X-ray diffraction analysis (XRD).

도 8은 소자실시예 1의 안정성을 평가하기 위해 사이클 전후의 XRD 분석을 진행한 결과이다. 리튬-공기전지의 반응 생성물인 Li2O2가 가역적으로 형성/분해 됨과 동시에 TiN 결정이 유지되고 있음을 보였다.8 is a result of XRD analysis before and after the cycle to evaluate the stability of the element Embodiment 1. Li 2 O 2, which is a reaction product of the lithium-air battery, is reversibly formed / decomposed and TiN crystal is maintained.

시험예 7: 사이클 지속에 따른 부산물의 형성확인Test Example 7: Confirmation of the formation of by-products as the cycle continues

도 9의 (a)는 소자실시예 1의 150 사이클이 지속되는 동안 표면에 부산물이 형성되는 SEM이미지, (b)는 소자실시예 1의 XPS실험 결과로, 150 사이클 이후 카보네이트(carbonates), 카르복시산염(carboxylates)로 추정되는 부산물이 생겼음을 알 수 있었다. 9 (a) is an SEM image in which byproducts are formed on the surface during 150 cycles of the device Example 1, and FIG. 9 (b) is a SEM image of the carbonaceous material after 150 cycles It was found that there was a byproduct which was presumed to be carboxylates.

도 10은 소자비교예 2의 100 사이클이 지속되는 동안 표면에 부산물이 형성되는 SEM이미지를 보여주고 있는데, 소자비교예 2의 경우 소자실시예 1에 비해 많은 양의 부산물이 형성됨을 알 수 있었다.FIG. 10 shows an SEM image in which byproducts are formed on the surface during 100 cycles of the device comparison example 2. In the device comparison example 2, a larger amount of by-product is formed than in the device example 1.

시험예 8: 사이클 특성확인Test Example 8: Determination of cycle characteristics

도 11의 (a)는 높은 전압에서의 전해액 분리로 인한 부산물의 생성을 막기 위하여 산화환원 중계물질(redox mediator)인 LiI를 첨가했을 때 전지의 정전류 충방전곡선이다. LiI를 첨가하면 충전 전압이 낮아짐을 볼 수 있었다.11 (a) is a constant current charge / discharge curve of a battery when LiI, a redox mediator, is added to prevent the production of by-products due to electrolyte separation at a high voltage. When LiI was added, the charging voltage was lowered.

도 11의 (b)는 소자실시예 1 내지 3, 소자비교예 2 및 4의 리튬 공기전지의 사이클 결과이다. 소자비교예 2나 소자비교예 4에 비해 소자실시예 1, 소자실시예 2가 보다 우수한 사이클 특성을 보였으나 cross-over 산소나 반응 부산물인 물이 음극으로 넘어가 부반응을 일으켜 사이클 안정성이 떨어졌다. 따라서 리튬 금속과 물 또는 cross-over 산소와의 부반응을 막기 위해 폴리 우레탄 (polyurethane, PU)을 분리막으로 사용하였으며 이에 따라 소자실시예 3이 가장 우수한 사이클 특성을 나타냈다. Fig. 11 (b) shows the cycle results of the lithium ion battery of the element embodiments 1 to 3 and the element comparison examples 2 and 4. Fig. Device Example 1 and Device Example 2 exhibited better cycle characteristics than Device Comparative Example 2 and Device Comparative Example 4, but cross-over oxygen or water as a reaction by-product passed to the cathode, causing a side reaction, resulting in poor cycle stability. Therefore, polyurethane (PU) was used as a separator to prevent side reactions between lithium metal and water or cross-over oxygen. Thus, the device of Example 3 exhibited the best cycle characteristics.

도 11의 (c)를 보면 소자실시예 3의 경우 리튬 음극을 보호하여 LiOH가 형성되지 않음을 알 수 있었다.11 (c), it was found that LiOH was not formed by protecting the lithium anode in the third embodiment.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

Claims (20)

음극;
공기극;
상기 음극과 공기극 사이에 전해액;
상기 음극과 공기극 사이에 분리막: 및
상기 분리막과 상기 음극 사이에 위치하고, 상기 분리막 상에 폴리우레탄(Polyurethane, PU) 분리막; 을 포함하고,
상기 공기극이 가스확산층; 및 상기 가스확산층 상에 위치하고, 다공성 티타늄 질화물과 고분자 바인더를 포함하는 촉매 복합체;를 포함하고,
상기 다공성 티타늄 질화물이 복수의 기공을 포함하는 다공성 티타늄 질화물(TiN)이고, 상기 기공이 터널(tunnel) 형태이고, 상기 터널(tunnel) 형태의 기공이 길이 방향으로 서로 나란하게 배열된 것이고, 상기 터널(tunnel) 형태의 기공을 길이방향에 수직으로 절단한 면이 육각형(헥사고날)의 형태인 것인 리튬-공기 전지.
cathode;
Air pole;
An electrolyte between the cathode and the cathode;
A separator between the cathode and the cathode; and
A polyurethane (PU) separator on the separator, the separator being positioned between the separator and the cathode; / RTI >
The air electrode being a gas diffusion layer; And a catalyst composite disposed on the gas diffusion layer, the catalyst composite including porous titanium nitride and a polymeric binder,
Wherein the porous titanium nitride is a porous titanium nitride (TiN) including a plurality of pores, the pores are in the form of a tunnel, the pores in the form of a tunnel are arranged in parallel to one another in the longitudinal direction, wherein the plane of the tunnel-shaped pores cut perpendicular to the longitudinal direction is hexagonal (hexagonal).
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 가스확산층은 카본 페이퍼(carbon paper), 스테인리스 스틸메시 (Stainless steel mesh), 및 카본나노튜브 페이퍼 (Carbon nanotube paper) 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the gas diffusion layer comprises any one selected from the group consisting of carbon paper, stainless steel mesh, and carbon nanotube paper.
제1항에 있어서
상기 고분자 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 카르복실메틸 셀룰로스(Carboxylmethyl cellulose), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide), 나피온(Nafion) 및 폴리메틸 메타아크릴레이트(Polymethyl methacrylate) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
The method of claim 1, wherein
The polymer binder may be selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, carboxylmethyl cellulose, polyethylene, polyethylene oxide, Nafion, Wherein the lithium-air battery is one selected from the group consisting of polymethyl methacrylate.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 전해액이 리튬 아이오다이드(lithium iodide, LiI), 리튬 브로마이드(lithium bromide), 테트라씨아풀버린(Tetrathiafulvalene, TTF), 테트라메틸파이퍼리디닐옥실(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl, TEMPO), 및 트리스 다이에틸아미노페닐아민(tris[4-(diethylamino)phenyl]amine, TDPA) 중에서 선택된 1종 이상의 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte is selected from the group consisting of lithium iodide (LiI), lithium bromide, Tetrathiafulvalene (TTF), 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl (TEMPO) , And trisdiethylaminophenylamine (tris [4- (diethylamino) phenyl] amine, TDPA).
제9항에 있어서,
상기 촉매가 리튬 아이오다이드(lithium iodide, LiI)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
10. The method of claim 9,
Characterized in that the catalyst comprises lithium iodide (LiI).
제1항에 있어서,
상기 분리막이 유리섬유, 폴리에틸렌, 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the separator comprises at least one selected from the group consisting of glass fiber, polyethylene, and polypropylene.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 다공성 티타늄 질화물이
티타늄 전구체, 양친성 블록공중합체, 및 용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액을 증발유도 자기조립(evaporation-induced self-assembly, EISA)시켜 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 제조하는 단계(단계 a);
상기 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 열처리하여 복수의 기공들이 형성된 다공성 티타늄 산화물을 제조하는 단계(단계 b); 및
상기 다공성 티타늄 산화물을 암모니아(NH3) 분위기에서 열처리하여 복수의 기공들이 형성된 다공성 티타늄 질화물을 제조하는 단계(단계 c);를
포함하는 다공성 티타늄 질화물의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
The method according to claim 1,
The porous titanium nitride
Titanium oxide precursor, an amphiphilic block copolymer, and a solvent to prepare a mixed solution, and evaporating-induced self-assembly (EISA) of the mixed solution to prepare a block copolymer-titanium oxide complex (Step a);
(B) preparing a porous titanium oxide having a plurality of pores by heat treating the block copolymer-titanium oxide composite; And
Treating the porous titanium oxide in an ammonia (NH 3 ) atmosphere to produce a porous titanium nitride having a plurality of pores (step c);
Wherein the porous titanium nitride is produced by a process for producing a porous titanium nitride.
제13항에 있어서, 상기 다공성 티타늄 질화물의 제조방법이
단계 (a) 후에, 상기 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 가교시켜 가교된 블록공중합체-티타늄 산화물 복합체를 제조하는 단계(단계 a')를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
14. The method of claim 13, wherein the process for preparing the porous titanium nitride comprises:
5. The lithium-air battery according to claim 1, further comprising, after step (a), crosslinking the block copolymer-titanium oxide complex to prepare a crosslinked block copolymer-titanium oxide composite (step a ').
제13항에 있어서,
상기 티타늄 전구체가 티타늄 이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide), 티타늄 클로라이드 (Titanium chloride), 및 티타늄 부톡사이드 (Titanium butoxide) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
14. The method of claim 13,
Wherein the titanium precursor is any one of titanium isopropoxide, titanium chloride, and titanium butoxide.
제13항에 있어서,
상기 양친성 블록공중합체가 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체(poly(ethylene oxide)-block- poly(styrene)), 폴레스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 (poly(styrene)-block-poly(methyl methacrylate)) 및 폴리아이소프렌-폴리에틸렌옥사이드 (poly(isoprene)-block-poly(ethylene oxide) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
14. The method of claim 13,
Wherein the amphiphilic block copolymer is selected from the group consisting of polyethylene oxide-block-poly (styrene), poly (styrene) -block-poly (methyl methacrylate) ) And a polyisoprene-block oxide (poly (isoprene) -block-poly (ethylene oxide).
제13항에 있어서,
상기 용매는 테트라하이드로퓨란, 크로로포름 및 다이옥세인 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
14. The method of claim 13,
Wherein the solvent is any one of tetrahydrofuran, chloroform, and dioxane.
제13항에 있어서,
단계 a의 증발유도 자기조립이 30 내지 80℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
14. The method of claim 13,
Wherein the evaporation-induced self-assembly of step (a) is carried out at 30 to 80 占 폚.
제13항에 있어서,
단계 b의 열처리가 400 내지 600℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
14. The method of claim 13,
Wherein the heat treatment of step (b) is carried out at a temperature of 400 to 600 占 폚.
제13항에 있어서,
단계 c의 열처리가 600 내지 800℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 전지.
14. The method of claim 13,
Wherein the heat treatment in step c is performed at a temperature of 600 to 800 < 0 > C.
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